Τεχνολογία των πολλαπλών εμποδίων ως μέθοδος συντήρησης των τροφίμων Εφαρμογές της Τεχνολογίας Εμποδίων στην Ασφάλεια και στην Ποιότητα των Τροφίμων
Η μικροβιακή ανάπτυξη εξαρτάται από πολλούς παράγοντες που υπάρχουν στο περιβάλλον των οργανισμών όπως τα συστατικά, τα θρεπτικά συστατικά, η ενεργότητα νερού (aw), η οξύτητα (ph), η παρουσία συντηρητικών, η ανταγωνιστική μικροχλωρίδα, αντισηπτική συσκευασία, θερμοκρασία συντήρησης, χρόνος κ.ά.
Παράγοντες που επηρεάζουν τη ΦΥΣΙΚΑ ΕΜΠΟΔΙΑ 1 Θερμική επεξεργασία (αποστείρωση, παστερίωση, λεύκανση) μικροβιακή αύξηση ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΑ ΕMΠΟΔΙΑ 1. Ενεργότητα νερού 2. Θερμική συντήρηση 2. Οξύτητα (ph) 3. Aκτινοβόληση 3. Κανονικό οξειδοαναγωγικό δυναμικό (Eh) 4. Ηλεκρομαγνητική ενέργεια 4. NaCl 5. Υπερυψηλή πίεση 5. NaNO2 6. Ultrasonication 6.. CO2 7. Συσκευασία 7. Οργανικά οξέα 8. Συσκευασία σε τροποπ. ατμόσφαιρα 8. Συντηρητικά 9. Αντισηπτική συσκευασία 9. Υποκαπνισμός 10. Μικροϋφή 10. Μπαχαρικά 11.. Ανταγωνιστική μικροχλωρίδα 12. Βακτηριοσίνες
Ο έλεγχος αυτών των συνθηκών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιορίσει, να επιβραδύνει ή και να αποτρέψει την μικροβιακή ανάπτυξη. Την ιδέα αυτή την εισήγαγε πρώτη φορά ο Leistner το 1977 και το 1982 οι Rodel and Leistner. Μερικά εμπόδια μπορεί να επηρεάσουν την ασφάλεια και ποιότητα του τροφίμου επειδή έχουν αντιμικροβιακές ιδιότητες και ταυτόχρονα βελτιώνουν την γεύση του προϊόντος. Το ίδιο εμπόδιο μπορεί να έχει τόσο θετικά όσο και αρνητικά αποτελέσματα στο τρόφιμο, αυτό εξαρτάται από την ένταση του. Για παράδειγμα η ψύξη κάποιων γεωργικών προϊόντων σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες έχει καταστροφικά αποτελέσματα στο τρόφιμο. Συνεπώς για την διασφάλιση της καλύτερης ποιότητας του τροφίμου, ο οποίος είναι και ο στόχος της τεχνολογίας εμποδίων πρέπει να εφαρμοστεί ένας έξυπνος συνδυασμός από εμπόδια.
Εισαγωγή Ο χρόνος συντήρησης, η ποιότητα και η ασφάλεια πολλών τροφίμων βασίζεται στο συνδυασμό αρκετών εμποδίων και συνεπώς των διαφόρων επιδράσεων αυτών έναντι των τροφίμων. Τα διάφορα εμπόδια μπορεί να έχουν προσθετικό ή συνεργιστικό αποτέλεσμα. Τα εμπόδια των τροφίμων είναι ουσιαστικά επεξεργασίες (φυσικές, χημικές, βιολογικές) που αναστέλλουν (επιμηκύνοντας το χρόνο συντήρησης) ή καθυστερούν την αλλοίωση των τροφίμων. Σε πολλές περιπτώσεις, έννοιες όπως η πρόληψη της αλλοίωσης και η διατήρηση της ποιότητας είναι αντίθετες και συνεπώς, η διατήρηση της βέλτιστης ποιότητας των τροφίμων, απαιτεί την ελάχιστη χρήση της «τεχνολογίας εμποδίων» (εμπόδια χαμηλής έντασης) και επιτυγχάνεται με το συνδυασμό διαφόρων εμποδίων. Η συνολική ποιότητα ενός τροφίμου πρέπει να εκτιμάται από διαφόρους παραμέτρους, όπως τη σύσταση και το είδος του προϊόντος, την περιεκτικότητα (%) των συντηρητικών ουσιών, τη βιομηχανική επεξεργασία με την οποία λαμβάνεται το σταθερό, υγιεινό και ασφαλές προϊόν. Τα πλέον συνηθισμένα εμπόδια στη συντήρηση των τροφίμων ανήκουν σε τρεις κατηγορίες: φυσικά, φυσικο-χημικά και βιολογικά εμπόδια.
Τυπική Καμπύλη Αύξησης Βακτηριακού Κυττάρου
Διαφοροποίηση των Βακτηριακών Κυττάρων με βάση τη σύνθεση του κυτταρικού τοιχώματος
Ορισμένα μπορεί να παράγουν τοξίνες όταν πολλαπλασιάζονται (πχ: C. botulinum, Η μέση θανατηφόρος δόση για τον άνθρωπο έχει εκτιμηθεί σε 2 ng της βοτουλινικής τοξίνης ανά κιλό σωματικού βάρους), Bacillus cereus, Clostridium botulinum, Staphylococcus aureus Παθογόνοι Μικροοργανισμοί που Παρουσιάζουν Ενδιαφέρον στα Τρόφιμα θανατηφόροι κρέας γάλα πουλερικά αυγά ψάρια λαχανικά φρούτα Salmonella ο ο ο ο ο Escherichia coli (Pathogenic) Campylobacter spp. ο ο Yersinia enterolytica ο ο Clostridium perfringens ο ο ο ο ο Clostridium botulinum ο αλλαντίαση ο ο Listeria monocytogenes ο ο ο ο ο Vibrio sp. ο ο Staphylococcus aureus Χρυσίζων σταφυλόκοκκος ο ο ο
Τροφικές δηλητηριάσεις
Θεωρία των εμποδίων Διατυπώθηκε από τον Leistner(1978) για τον περιορισμό της αύξησης των μικροοργανισμών σε μη αποστειρωμένα (θερμικά επεξεργασμένα) τρόφιμα. Αναφέρει ότι.η συνδυαστική επίδραση των μεθόδων συντήρησης έχει καλύτερο αποτέλεσμα από την επίδραση κάθε μεθόδου ξεχωριστά ή από την εφαρμογή υψηλής έντασης μιας μεθόδου. Leistner, L. (1978) Hurdle effect and energy saving. In Food Quality and Nutrition (ed. W.K. Downey). Applied Science Publishers, London, UK.
Ζυμούμενα τρόφιμα: ph+ αλάτι + συντηρητικό Αλλαντικά: aw+ καπνισμός+ αλάτι + συντηρητικά + μπαχαρικά IMF (Intermediate Moisture Foods): aw+ θερμότητα + συντηρητικά
Θεωρία των εμποδίων
Θεωρία των εμποδίων
Αποτελεσματική εφαρμογή απαιτεί συνδυασμό εμποδίων
Συνδυασμός εμποδίων Ν 0 1: Όλα τα εμπόδια στην ίδια ένταση Ν 0 2: Όλα τα εμπόδια σε διαφορετική ένταση Ν 0 3: Μικρό αρχικό μικροβιακό φορτίο καλές πρακτικές υγιεινής
Συνδυασμός εμποδίων Ν 0 4: υψηλό αρχικό μικροβιακό φορτίο Ν 0 5: χαμηλό αρχικό μικροβιακό φορτίο περισσότερες θρεπτικές ουσίες Ν 0 6: μη ορθή αποστείρωση κατεστραμμένα κύτταρα
Επίδραση των εμποδίων στη διάρκεια ζωής ενός τροφίμου Οργανοληπτική αλλοίωση διάρκεια ζωής στο ράφι αυξημένη διάρκεια ζωής στο ράφι
Τα πλέον σημαντικά εμπόδια που συνήθως χρησιμοποιούνται στη συντήρηση των τροφίμων είναι: η υψηλή θερμοκρασία επεξεργασίας (F), η χαμηλή θερμοκρασία συντήρησης (t), η ενεργότητα νερού (a w ) {Ως ενεργότητα νερού ορίζεται η παράμετρος που εκφράζει την ποσότητα νερού στο τρόφιμο που είναι διαθέσιμη για τις ανάγκες αύξησης των μικροοργανισμών.}, το ph, το οξειδοαναγωγικό δυναμικό (Eh) { Το οξειδοαναγωγικό δυναμικό μετράται ως ηλεκτρικό δυναμικό και είναι μια ένδειξη της ικανότητας ενός τροφίμου να προκαλέσει αντιδράσεις οξείδωσης ή αναγωγής. Ο λόγος των συνολικών οξειδωτικών (δέκτες e - ) προς τα συνολικά αναγωγικά (δότες e - ) καθορίζει το οξειδοαναγωγικό δυναμικό του τροφίμου. Καθορίζει την τάση για λήψη ή απώλεια οξυγόνου από το τρόφιμο. Δεν είναι σταθερό σε όλη τη μάζα του τροφίμου αλλά μεταβάλλεται από την επιφάνεια προς το εσωτερικό του. Για παράδειγμα, οι τιμές του στο εσωτερικό μεγάλων κομματιών κρέατος μπορούν να είναι -200mv, ενώ σε λεπτοτεμαχισμένο κρέας +200mv. Γενικά το εύρος του οξειδοαναγωγικού δυναμικού, όπου αναπτύσσονται οι μικροοργανισμοί, είναι +300 έως -420mv. }, η ανταγωνιστική μικροχλωρίδα (competitive microflora πχ. τα γαλακτικά βακτήρια) και τα συντηρητικά (νιτρώδη, σορβικά και θειώδη άλατα).
Επιπρόσθετα, τα τελευταία χρόνια έχουν ανακαλυφθεί > των 40 εμποδίων, που θα μπορούσαν να εφαρμοστούν σε δυναμικές περιπτώσεις συντήρησης τροφίμων κυρίως ζωικής προέλευσης (κρέατα, πουλερικά, αυγά, θαλασσινά και γαλακτοκομικά προϊόντα). Τα εμπόδια αυτά περιλαμβάνουν: συσκευασία υπό τροποποιημένη ατμόσφαιρα (CO 2, N 2, O 2 ) πίεση (υψηλή/χαμηλή) ακτινοβολία (UV, μικροκύματα, ιονίζουσα) φυσικές διεργασίες (ηλεκτρικά πεδία πόλωσης, υπέρηχοι, ωμική θερμότητα) νέα υλικά συσκευασίας (υλικά με επιλεκτική διαπερατότητα, βρώσιμα υποστρώματα «edible coatings») γαλακτωματοποιητές τροφίμων και διάφορα άλλα βιο-συντηρητικά (βακτηριοσίνες «νισίνη»). Η έρευνα αποτελεσματικών εμποδίων επί του παρόντος συνεχίζεται με ενδιαφέρον σε μια προσπάθεια ανακάλυψης «φυσικών» συντηρητικών μέσων που στοχεύουν στη διασφάλιση της σταθερότητας και της συνολικής ποιότητας των τροφίμων.
Η μικροβιακή σταθερότητα και ασφάλεια των περισσοτέρων τροφίμων βασίζεται σε ένα συνδυασμό αρκετών παραγόντων (εμποδίων), τα οποία δεν θα πρέπει να παρακάμπτονται από την εκάστοτε παρούσα μικροχλωρίδα (ομάδες μικροοργανισμών) των τροφίμων. Οι παράγοντες αυτοί απεικονίζονται στο ονομαζόμενο φαινόμενο της «τεχνολογίας εμποδίων». Το φαινόμενο της «τεχνολογίας εμποδίων» είναι ουσιώδους σημασίας στη συντήρηση των τροφίμων, εφόσον οι διάφοροι παράγοντες (εμπόδια) που εφαρμόζονται, είναι καθοριστικοί στον έλεγχο της σταθερότητας και της μικροβιακής αλλοίωσης των τροφίμων και επίσης της υγιεινής των τροφίμων. Η εφαρμογή της «τεχνολογίας εμποδίων» βασίζεται σε θεμελιώδεις έννοιες (αρχές)- ph, θερμοκρασία, ενεργότητα νερού (a w ), οξειδoαναγωγικό δυναμικό (Εh), οσμωτική πίεση -σημαντικές στη διασφάλιση της μικροβιακής σταθερότητας των τροφίμων. Από την μελέτη και την εφαρμογή αυτών των παραμέτρων στη συντήρηση των τροφίμων, προέρχεται η έννοια της «τεχνολογίας εμποδίων», η οποία επιτρέπει την βελτίωση της ποιότητας και της ασφάλειας των τροφίμων, ελέγχοντας προσεκτικά το συνδυασμό των παραμέτρων (εμποδίων) αυτών. Η εφαρμογή της έννοιας αυτής (είναι γνωστή επίσης σαν συνδυαστικές μέθοδοι, συνδυαστικές διεργασίες, συνδυαστικές τεχνικές, ή «τεχνολογία εμποδίων») απεδείχθη πολύ αποτελεσματική δίνοντας σταθερά, ασφαλή, οικονομικά και γευστικά τρόφιμα.
Παραδείγματα του Φαινομένου της «Τεχνολογίας Εμποδίων» Η εφαρμογή των εμποδίων εξαρτάται από τη μικροβιακή σταθερότητα του τροφίμου και την αρχική του ποιότητα, για κάθε περίπτωση όμως και μετά την εφαρμογή των εμποδίων, ο τελικός μικροβιακός πληθυσμός ενός τροφίμου πρέπει να είναι σε φυσιολογικά επίπεδα. Η αρχική μικροχλωρίδα ενός τροφίμου και οι διάφοροι μικροοργανισμοί δεν πρέπει να υπερνικούν (υπερπηδούν) τα εμπόδια, διαφορετικά είναι δυνατόν να παρατηρηθεί μικροβιακή αλλοίωση του τροφίμου ή ακόμη και να προκληθεί τροφιμομογενής δηλητηρίαση.
Παράδειγμα 1 Στο παράδειγμα αυτό, εφαρμόζονται 6 εμπόδια στο προϊόν και περιλαμβάνουν: υψηλή θερμοκρασία κατά την επεξεργασία (F), χαμηλή θερμοκρασία συντήρησης (t), ενεργότητα νερού (a w ), οξύτητα (ph), οξειδoαναγωγικό δυναμικό (Εh) και συντηρητικά (pres.). Οι μικροοργανισμοί δεν είναι δυνατόν να υπερπηδήσουν τα εμπόδια, και συνεπώς το τρόφιμο θεωρείται σταθερό και ασφαλές από μικροβιολογικής άποψης. Το Παράδειγμα 1 αποτελεί ένα θεωρητικό μοντέλο, εφόσον όλα τα εμπόδια είναι του ιδίου ύψους (ίδια ένταση) και στην πράξη σπάνια συμβαίνει.
Παράδειγμα 2 Είναι πιο ρεαλιστικό, εφόσον η μικροβιακή σταθερότητα του προϊόντος βασίζεται σε εμπόδια διαφορετικής έντασης. Τα κύρια εμπόδια του Παραδείγματος 2 είναι η ενεργότητα νερού και τα συντηρητικά, ενώ σε μικρότερο βαθμό συμμετέχουν η θερμοκρασία συντήρησης, το ph και το οξειδoαναγωγικό δυναμικό. Τα εμπόδια αυτά συνήθως επαρκούν και τελικά αναστέλλεται η ανάπτυξη των μικροοργανισμών που βρίσκονται στα τρόφιμα και αλλοιώνουν αυτά.
Παράδειγμα 3 Όταν η αρχική μικροβιακή χλωρίδα είναι σε χαμηλά επίπεδα, απαιτούνται λίγα εμπόδια, χαμηλής έντασης για τη διασφάλιση της μικροβιολογικής σταθερότητας του προϊόντος. Η ασηπτική συσκευασία των περισσοτέρων τροφίμων βασίζεται σε εμπόδια του παραπάνω παραδείγματος.
Παράδειγμα 4 Το προϊόν αρχικά επιβαρύνεται με υψηλό πληθυσμό μικροοργανισμών, λόγω ανθυγιεινών συνθηκών συντήρησης του προϊόντος, τα συνήθη εμπόδια που εφαρμόζονται δεν είναι ικανά να αναστείλουν την ανάπτυξη των μικροοργανισμών και τελικά το προϊόν αλλοιώνεται.
Παράδειγμα 5 Αναφέρεται σε προϊόν πλούσιο σε ιχνοστοιχεία και βιταμίνες, που ευνοούν την ανάπτυξη των μικροοργανισμών ένα, και στην περίπτωση αυτή τα εμπόδια πρέπει να είναι υψηλής έντασης, διαφορετικά είναι δυνατόν να υπερπηδηθούν από τους μικροοργανισμούς του προϊόντος.
Παράδειγμα 6 Αφορά την περίπτωση προϊόντων τροφίμων με «τραυματισμένους» μικροοργανισμούς, όπως προϊόντων κρεάτων όπου τα σπόρια βακτηρίων καταστρέφονται με υψηλή θερμότητα, και επομένως, λιγότερα εμπόδια, χαμηλότερης έντασης είναι αρκετά και ικανά για την καταστροφή των βακτηρίων (βλαστικές μορφές). Σε μερικά τρόφιμα, όπως τα σαλάμια ζύμωσης και τα τυριά ωρίμανσης, η μικροβιακή σταθερότητα των προϊόντων αυτών επιτυγχάνεται με τον έλεγχο των διαφόρων εμποδίων, τα οποία είναι σημαντικά κατά τα διάφορα στάδια της επεξεργασίας, και δίνουν ένα σταθερό τελικό προϊόν.
Παράδειγμα 7 Φαίνεται η σειρά των εμποδίων που εφαρμόζονται στην τυποποίηση των σαλαμιών ζύμωσης. Τα στάδια που είναι σημαντικά στην ωρίμανση του προϊόντος είναι το αλάτι (ΝaCl) και τα συντηρητικά (νιτρώδη), τα οποία αναστέλλουν την ανάπτυξη των μικροοργανισμών στα αρχικά τρίμματα (batters) κρέατος. Παράλληλα άλλα βακτήρια (γαλακτικά βακτήρια) που προέρχονται από το περιβάλλον - ανταγωνιστική μικροχλωρίδα - πολλαπλασιάζονται και λόγω της παραγωγής γαλακτικού οξέος το ph του τροφίμου αυξάνεται. Στα σαλάμια ωρίμανσης, το εμπόδιο των συντηρητικών (νιτρώδη) εξαντλείται και ο πληθυσμός των γαλακτικών βακτηρίων ελαττώνεται, ενώ το οξειδοαναγωγικό δυναμικό και το ph αυξάνονται. Τελικά η ενεργότητα νερού αυξάνεται στο τελικό στάδιο ωρίμανσης των σαλαμιών. Πιθανώς και σε άλλα τρόφιμα (προϊόντα ζύμωσης) η «τεχνολογία εμποδίων» μπορεί να δώσει προϊόντα καλής ποιότητας.
Παράδειγμα 8: Ομοιόσταση και «Τεχνολογία Εμποδίων» Ένα σημαντικό φαινόμενο της συντήρησης των τροφίμων είναι η «ομοιόσταση» (homeostasis) των μικροοργανισμών. Ως «ομοιόσταση» ορίζεται η τάση των μικροοργανισμών να αποκτήσουν σταθερότητα και ομοιογένεια στις συνήθεις συνθήκες ανάπτυξης. Για παράδειγμα, η τήρηση των τιμών ph σε σταθερό εύρος είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την ομαλή λειτουργία, ανάπτυξη και αναπαραγωγή σχεδόν όλων των οργανισμών. Εάν η «ομοιόσταση» των μικροοργανισμών (εσωτερική ισορροπία) στα τρόφιμα διαταραχθεί από εξωγενείς παράγοντες (εμπόδια), η ανάπτυξη αυτών επηρεάζεται σε σημαντικό βαθμό και αναστέλλεται. Συνεπώς, η συντήρηση των τροφίμων επιτυγχάνεται διαταράσσοντας την «ομοιόσταση» των μικροοργανισμών. Τα διάφορα εμπόδια είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν από κοινού (συνεργιστική χρήση) στη συντήρηση των τροφίμων. Ένα παράδειγμα χρήσης εμποδίων (συνεργιστική) δίνεται στο Παράδειγμα 8.
Η συνεργιστική χρήση είναι εφικτή όταν τα εμπόδια επιδρούν εναντίον διαφορετικών στόχων όπως: κυτταρική μεμβράνη κυτταρικό τοίχωμα DNA συστήματα ενζύμων σύνθεση RNA του κυττάρου και συνεπώς επιδρούν στην ομοιόσταση του κυττάρου με πολλούς και διαφορετικούς τρόπους. Πρακτικά αυτό μπορεί να γίνει με τη χρήση διαφόρων συντηρητικών ουσιών (εμποδίων) σε μικρές ποσότητες, ενώ στην αντίθετη περίπτωση θα γινόταν χρήση ενός συντηρητικού αλλά σε μεγαλύτερη ποσότητα, και αυτό εφόσον τα διάφορα συντηρητικά σκοπεύουν σε διαφορετικούς στόχους εντός του κυττάρου, και δρουν συνεργιστικά. Η συντήρηση τροφίμων χρησιμοποιώντας διάφορα και πολλαπλά συντηρητικά μέσα αποτελεί ένα σημαντικό πεδίο έρευνας και επί του παρόντος βρίσκει εφαρμογές σε αρκετές κατηγορίες τροφίμων.